一种具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀及控制系统

本发明属于燃气闸阀技术领域，具体涉及一种具有应力检测功能的具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀及控制系统。

背景技术：

传统的燃气闸阀的驱动方式一般分为手动、气动、电动等。手动驱动是最基本的驱动方式，也就是由人工手动来操作的阀门，手动形式包括直接驱动和间接驱动，直接驱动包括手轮、手柄、扳手等，直接驱动由于驱动力矩小，适用于小口径、低扭矩的应用场合；间接驱动是指通过涡轮蜗杆、齿轮齿条等传动机构进行间接驱动，间接驱动由于通过机械传动方式将力矩进行了放大，产生了较大驱动力矩，但增加了闸阀整体体积，适用于空间要求不高、驱动力矩适宜的应用场合。气动驱动是以一定压力的空气为动力源，利用气缸做活塞运动来驱动阀门启闭，一般气动的空气压力低于0.8mpa，因此，气缸的输出力不大，不适用于启闭力矩要求较大的闸阀，另外，需要增加气罐、空气压缩机等气源装置，造成了整体体积偏大。电动驱动精度高、调速方便，一般是通过电机带动减速机，减速机带动涡轮，涡轮带动蜗杆进行驱动，电动驱动可以减轻阀门操作人员的工作强度，有利于系统的自动化，但是电动驱动推力较小、大推力时成本较高，因此，不适用于大口径的燃气闸阀。

电液作动器是将电机、泵、阀、液压缸、传感器等集成在一起，通过执行控制器的命令，从而控制液压缸活塞杆的速度、方向、位移等，从而驱动机械传动机构的一种液压执行机构，具有输出力大、运行位置准确、体积小等优点，在航空航天、发电、炼钢、汽车、船舶等领域得到了广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的体积和力矩不能同时满足要求且成本较高的缺陷，提供了一种输出力大、体积小且能实时监控闸阀状态的具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀及控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀，包括套设在燃气管道上的阀体、安装在所述阀体内的闸板、安装在所述闸板上的阀盖、与所述阀盖固定安装的电液作动器、套设在所述电液作动器内的一体式阀杆、插设在所述一体式阀杆内部的位移检测装置、固定安装在所述电液作动器的端部的数据采集和无线传输模块以及安装在所述一体式阀杆尾部的应力检测装置；所述电液作动器包括固定安装在所述阀盖上的液压缸缸体、固定安装在所述液压缸缸体外侧的阀组、与所述阀组的油路连接的油箱、与所述油箱油路连接的双向泵以及与双向泵的输入端同轴设置的电机；所述阀组的油口s0通过液压油路与所述双向泵的油口a1连通，所述阀组的油口p0通过液压油路与所述双向泵的油口b1连通，所述阀组的油口a0与所述液压油缸的油口a6油路连通，所述阀组的油口b0与所述液压油缸的油口b6连通，所述阀组的油口t0与所述油箱油路连通；所述一体式阀杆同时作为所述电液作动器的活塞杆。

进一步地，所述阀组包括第一溢流阀、第二溢流阀、单向阀以及二位二通电液比例阀；所述双向泵的第一油口a1分别与第一溢流阀的a2油口、第二溢流阀的p3油口、单向阀的a4油口以及液压缸的输入口a6油路连通；所述双向泵的第二油口b1分别与所述第一溢流阀的p2油口、第二溢流阀的a3油口、二位二通电液比例阀的p5油口以及液压缸的输出油口b6油路连通；所述单向阀的p4油口与所述二位二通电液比例阀的a5油口油路连通；所述单向阀的p4油口和二位二通电液比例阀的a5油口均与油箱油路连接。

进一步地，所述第一溢流阀的油口a2、第二溢流阀的油口p3、阀组的油口s0、阀组的油口a0和单向阀的油口a4通过液压管路相通；所述单向阀的油口p4、二位二通电液比例阀的油口a5以及所述阀组的油口t0通过液压管路相通；所述第一溢流阀的油口p2、第二溢流阀的油口a3、二位二通电液比例阀的油口p5、阀组的油口p0以及所述阀组的油口b0通过液压管路连通。

进一步地，所述应力检测装置包括开设在所述一体式阀杆尾端的应力安装槽、安装在所述应力安装槽内的应变片以及固定在所述应力安装槽上的固定件。

进一步地，所述位移检测模块包括螺纹固定在所述液压缸缸体的尾部的位移传感器，所述位移传感器的输出杆通过压板贯穿于所述一体式阀杆的活塞端。

进一步地，所述数据采集和无线传输模块包括固定安装在所述液压缸缸体上的安装盒、螺钉固定安装在所述安装盒内部的用于采集信号和位移信号的数据采集器、固定安装在所述安装盒上部的用于采集应力信号和位移信号的发射天线、固定安装在所述安装盒内的用于给所述数据采集和无线传输模块供电的锂电池和用于控制所述数据采集和无线传输模块的控制器；所述发射天线的天线穿出所述安装盒延伸到所述安装盒的外部。

更进一步地，所述闸板与所述阀体之间设置有密封垫；所述阀盖与所述一体式阀杆之间设置有密封圈。

一种基于具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的控制系统，包括多个所述的具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀、终端接收设备、终端数据处理与控制设备、终端发射设备；

所述具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀，用于采集和无线传输一体式阀杆应力和位移信号；

所述终端接收设备，用于接收来自每一个所述具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的一体式阀杆应力和位移信号，并将应力和位移信号传送给所述数据处理与控制设备；

所述终端数据处理与控制设备，用于对接收的所述终端接收设备发出的应力和位移信号进行分析与处理，根据实际需求对每一个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀做出全开或半开或关闭或x％开度动作信号；

所述终端发射设备，用于向每个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀发出动作信号，每个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀当接收到动作指令信号以后，对应对阀板实施闭环反馈控制。

进一步地，所述终端发射设备将一体式阀杆的应力状态信息、位移信息进行实施监测反馈至所述终端数据处理与控制设备。

本发明的一种具有应力检测功能的具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀及控制系统的有益效果是：

1、本发明将电液作动器应用于燃气闸阀的驱动中，比起手动、气动、电动等驱动方式，具有输出力大、控制准确、体积小等优点，不仅可以应用于小口径、低扭矩的燃气闸阀，而且可以在大口径、高扭矩的燃气闸阀中进行应用，从而提高自动化、智能化水平；同时通过实时检测阀杆的应力，以无线传输的方式向监测终端设备发送应力状态信息，从而可以评估阀杆的使用寿命，进而防止出现燃气闸阀启闭事故。

2、本发明采用了电液作动器进行驱动，将电液作动器的活塞杆与燃气闸阀的阀杆做成一体式阀杆结构，有效地减小了整个燃气闸阀的体积，并且具有输出力大、控制准确等优点；同时在电液作动器上安装了位移传感器，从而可以有效地检测闸阀的阀口开度，进而可以根据终端设备的无线指令信号，完成全开、半开、关闭、x％开度下的闭环反馈控制，提高了远程控制精度和自动化水平。

3、本发明在一体式阀杆的尾部安装了应变测试装置，并且可以通过无线传输的方式将一体式阀杆的应力状态传送只终端设备，因而，可以根据最大应力和疲劳状态对具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的使用寿命进行分析和预测，一旦出现破坏时，便于及时更换。

4、基于本发明的具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的控制系统采用了终端设备和多个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的无线网络布置，可以通过终端设备对每个闸阀的使用状态进行有效监测与远程控制，提高了燃气闸阀的智能化水平。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例的具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的立体图；

图2是本发明实施例的具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的剖视图；

图3是本发明实施例的闸阀的部分爆炸图；

图4是本发明实施例的电液作动器的爆炸图；

图5是本发明实施例的电液作动器液压原理图；

图6是本发明实施例的数据采集和无线传输模块的爆炸图；

图7是本发明实施例的无线网络及其控制系统的结构组成图；

图8是图7其中一个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的动作闭环反馈控制方框图。

图中:1、阀体，2、闸板，3、阀盖，4、电液作动器，41、液压缸缸体，42、阀组，421、第一溢流阀，422、第二溢流阀，423、单向阀，424、二位二通电液比例阀，43、油箱，44、双向泵，45、电机，46、电缆接口，5、一体式阀杆，6、位移检测装置、61、位移传感器，62、压板，7、数据采集和无线传输模块，71、安装盒，72、数据采集器，73、发射天线，74、锂电池，75、控制器，8、应力检测装置，81、应力安装槽，82、应变片，83、固定件，9、终端接收设备，10、终端数据处理与控制设备，11、终端发射设备，12、密封垫，13.、闸板连接件，14.螺纹连接件，15、密封圈。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图8所示的本发明的一种具有应力检测功能的具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀及控制系统的具体实施例，包括套设在燃气管道上的阀体1、安装在阀体1内的闸板2、安装在闸板2上的阀盖3、与阀盖3固定安装的电液作动器4、套设在电液作动器4内的一体式阀杆5、插设在一体式阀杆5内部的位移检测装置6、固定安装在电液作动器4的端部的数据采集和无线传输模块7以及安装在一体式阀杆5尾部的应力检测装置8；电液作动器4包括固定安装在阀盖3上的液压缸缸体41、固定安装在液压缸缸体41外侧的阀组42、与阀组42的油路连接的油箱43、与油箱43油路连接的双向泵44以及与双向泵44的输入端同轴设置的电机45；阀组42的油口s0通过液压油路与双向泵44的油口a1连通，阀组42的油口p0通过液压油路与双向泵44的油口b1连通，阀组42的油口a0与液压油缸的油口a6油路连通，阀组42的油口b0与液压油缸的油口b6连通，阀组42的油口t0与油箱43油路连通；一体式阀杆5同时作为电液作动器4的活塞杆。

参照图1-图4，本发明实施例中数据采集和无线传输模块7的下端通过螺栓固定在电液作动器4上的液压缸缸体41的尾端，电液作动器4的液压缸缸体41头端通过螺栓固定在阀盖3上，阀盖3通过螺栓固定在阀体1上，闸板2在阀体1内，闸板2可以在阀体1内上下移动，从而实现流体介质的流通与阻断，闸板2与阀体1之间设置有密封垫12，防止液压油外溢，闸板2的上端加工有方形凹槽，一体式阀杆5与闸板2通过闸板连接件13固定连接，闸板连接件13通过销镶嵌于闸板2上端的方形凹槽内，闸板连接件13的上端加工有内螺纹孔，一体式阀杆5的下端加工有外螺纹孔，一体式阀杆5的下端通过螺纹与闸板连接件13的上端固定相连，阀盖3的上端盖中心处加工有光孔和凹槽，一体式阀杆5与阀盖3之间设置有用于防止油进入的密封圈15，密封圈15内嵌于阀盖3上端的凹槽内，一体式阀杆5贯穿于阀盖3上端的光孔，一体式阀杆5既作为闸阀的阀杆，也作为电液作动器4的活塞杆，从而可以实现电液作动器4驱动一体式阀杆5作伸出和缩回往复运动，一体式阀杆5带动螺纹连接件14和闸板连接件13，进而推动闸板2上下运动，从而实现流体介质的流通与阻断。

参照图5阀组42包括第一溢流阀421、第二溢流阀422、单向阀423以及二位二通电液比例阀424；双向泵44的第一油口a1分别与第一溢流阀421的a2油口、第二溢流阀422的p3油口、单向阀423的a4油口以及液压缸的输入口a6油路连通；双向泵44的第二油口b1分别与第一溢流阀421的p2油口、第二溢流阀422的a3油口、二位二通电液比例阀424的p5油口以及液压缸的输出油口b6油路连通；单向阀423的p4油口与二位二通电液比例阀424的a5油口油路连通；单向阀423的p4油口和二位二通电液比例阀424的a5油口均与油箱43油路连接。第一溢流阀421的油口a2、第二溢流阀422的油口p3、阀组42的油口s0、阀组42的油口a0和单向阀423的油口a4通过液压管路相通；单向阀423的油口p4、二位二通电液比例阀424的油口a5以及阀组42的油口t0通过液压管路相通；第一溢流阀421的油口p2、第二溢流阀422的油口a3、二位二通电液比例阀424的油口p5、阀组42的油口p0以及阀组42的油口b0通过液压管路连通。

参照图5电机45的输出轴与双向泵44的输入轴相连，双向泵44的油口a1、b1分别与阀组42的油口s0、p0通过液压管道相连，阀组42的油口a0、b0分别与液压缸缸体41的油口a6、b6通过液压管道相连，阀组42的油口t0与油箱43相连。电液作动器4可以实现一体式阀杆5向外伸出和向内缩回，当电机45通正向电流以后，电机45的正转带动双向泵44正转，液压油从双向泵44油口a1排出，流向液压缸缸体41的有杆腔，在高压油的作用下，一体式阀杆5向内缩回，同时一体式阀杆5将液压缸缸体41无杆腔的油液从液压缸缸体41的油口b6排出，由于从液压缸缸体41的无杆腔流出的油液过多，二位二通电液比例阀424打开，一部分油液通过二位二通电液比例阀424流回油箱43，另一部分油液流入双向泵44的油口b1,此时，第二溢流阀422起到安全阀的作用，从而可以避免液压缸缸体41的有杆腔压力过高；当电机45通反向电流以后，电机45的反转带动双向泵44反转，液压油从双向泵44油口b1排出，流向液压缸缸体41的无杆腔，在高压油的作用下，一体式阀杆5向外伸出，同时一体式阀杆5将液压缸缸体41有杆腔的油液从液压缸缸体41的油口a6排出，由于从液压缸缸体41有杆腔流出的油液过少，无法满足双向泵44吸油，二位二通电液比例阀424关闭，一部分油液通过单向阀423从油箱43吸入到双向泵44的油口a1，另一部分油液从液压缸缸体41的有杆腔排出至双向泵44的油口b1,此时，第二溢流阀422起到安全阀的作用，从而可以避免液压缸缸体41的无杆腔压力过高。

如图4所示，应力检测装置8包括开设在一体式阀杆5尾端的应力安装槽81、安装在应力安装槽81内的应变片82以及固定在应力安装槽81上的固定件83。

如图6所示，数据采集和无线传输模块7包括固定安装在液压缸缸体41上的安装盒71、螺钉固定安装在安装盒71内部的用于采集信号和位移信号的数据采集器72、固定安装在安装盒71上部的用于采集应力信号和位移信号的发射天线73、固定安装在安装盒71内的用于给数据采集和无线传输模块7供电的锂电池74和用于控制数据采集和无线传输模块7的控制器75；发射天线73的天线穿出安装盒71延伸到安装盒71的外部。数据采集器72用于采集应力信号和位移信号，并且通过螺钉安装于安装盒71的内部，发射天线73用于发射采集到应力信号和位移信号，发射天线73通过螺钉安装于安装盒71的上端，并且发射天线73的天线裸露在数据采集和无线传输模块7的外部，控制器75将数据采集器72所采集到的信号进行分析与处理，然后通过发射天线73向终端接收设备9发射相关信号，本发明实施例中的控制器75为plc控制器75。

一体式阀杆5作为电液作动器4的活塞杆，内嵌于液压缸缸体41内部，在液压驱动力下可以实现伸出和缩回往复运动，位移传感器61的一端通过螺纹拧入液压缸缸体41的尾部，位移传感器61的输出杆端通过压板62贯穿于一体式阀杆5的活塞端，压板62通过螺栓固定于一体式阀杆5的尾端，压板62的作用是位移传感器61的输出杆稳定在一体式阀杆5的中心部位，压板62由电磁材料制成，从而可以实现位移传感器61对一体式阀杆5与液压缸缸体41的相对位移的测量，位移传感器61的输出信号端子通过电线与数据采集和无线传输模块7的数据采集器72相连。阀组42、油箱43和双向泵44加工成一体，电机45通过螺栓与双向泵44安装在一起，电机45的输出轴与双向泵44的输入轴通过联轴器相连，阀组42、油箱43、双向泵44和电机45形成一整体通过螺栓安装于液压缸缸体41的端部，电缆接口46为电机45的接线端子，电缆接口46为电机45提供电力，电机45的控制端子与数据采集和无线传输模块7的控制器75的输出端子相连，一体式阀杆5的下端的关键部位加工有平面，将应变片82贴于一体式阀杆5的下端平面处，应变片82的输出端子通过电线与接线端子相连，应变片82用于测量一体式阀杆5关键部位的应力应变信号，接线端子的输出电线穿过位移传感器61心部的细长孔与数据采集和无线传输模块7的数据采集器72相连，固定件83压在应变片82的上部，并且通过螺栓固定在一体式阀杆5的下端平面处，从而将应变片82压紧。

一种基于本发明实施例的具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的控制系统，包括多个权利要求1-7任一项的具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀、终端接收设备9、终端数据处理与控制设备10、终端发射设备11。

具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀，用于采集和无线传输一体式阀杆5应力和位移信号。

终端接收设备9，用于接收来自每一个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的一体式阀杆5应力和位移信号，并将应力和位移信号传送给数据处理与控制设备。

终端数据处理与控制设备10，用于对接收的终端接收设备9发出的应力和位移信号进行分析与处理，根据实际需求对每一个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀做出全开或半开或关闭或x％开度动作信号。

终端发射设备11，用于向每个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀发出动作信号，每个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀当接收到动作指令信号以后，对应对阀板实施闭环反馈控制。

终端发射设备11将一体式阀杆5的应力状态信息、位移信息进行实施监测反馈至终端数据处理与控制设备10。

如图7所示，基于本发明实施例的具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的无线网络及其控制系统结构组成包括终端设备和多个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀，具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的数量没有上线，均通过无线网络的方式与终端设备相连，而且可以分布在不同的地域，终端设备只需要一个，终端设备对多个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀实施监测与控制，终端设备包括终端接收设备9、数据处理与控制设备和终端发射设备11，终端接收设备9通过无线传输的方式用于接收来自每一个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀的一体式阀杆5应力和位移信号，并将应力和位移信号传送至数据处理与控制设备进行分析与处理，数据处理与控制设备根据实际需求对每一个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀发出全开、半开、关闭、x％开度等动作信号，由终端发射设备11向每个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀发出动作信号，每个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀当接收到动作指令信号以后，对应对阀板实施闭环反馈控制，同时将阀杆的应力状态信息、位移信息进行实施监测反馈至终端数据处理与控制设备10，通过监测一体式阀杆5的应力情况和疲劳状态，对一体式阀杆5的使用寿命进行分析与预测，一旦有出现破坏时，便于及时更换。

其中一个具有应力检测功能的电液驱动燃气闸阀动作闭环反馈控制方框图，如图8所示，当控制器75接收到闸阀动作指令后，将动作指令如全开、半开、关闭、x％开度等转换为闸板2开启的位移，并将此作为目标位移，并与通过位移传感器61实施检测的实际位移值作差，经过pid运算后，此控制算法可以是专家pid、神经网络、模糊、自适应等，将其输入给电液作动器4的电机45的输入信号，从而迫使电液作动器4推动一体式阀杆5，进而驱动闸板2运动，等到闸板2运动到目标位移后，则停止运动，闭环反馈控制结束。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。